祝大同

中國電子材料行業(yè)協(xié)會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)管理部

以近期公開的一篇日本專利為中心，圍繞當(dāng)前薄型化覆銅板制造中所遇到的一個(gè)重要的工藝技術(shù)問題展開深入討論。

4 松下電工公司：減少、消除半固化片的翹曲問題

4.1 問題的提出

2010年公開的松下電工公司（2008年該公司改稱為“パナソニック電工株式會(huì)社”，為方便稱謂本文仍沿襲用舊名）的特開2010-247514專利的主要發(fā)明內(nèi)容，是從改造浸漬、干燥加工設(shè)備（以簡稱“上膠機(jī)”）入手，解決小于0.1 mm厚薄型玻纖布作為基材，干燥后半固化片出現(xiàn)的翹曲問題。

松下電工公司此專利[1]首先提出了該專利所解決課題的產(chǎn)生背景：過去常規(guī)生產(chǎn)的半固化片是以采用0.1 mm以上厚玻纖布作為基材為主。在使用這類玻纖布進(jìn)行浸漬、干燥加工中，產(chǎn)生干燥后半固化片翹曲的問題并不突出、不常見。這是由于所構(gòu)成此布的玻纖紗支數(shù)較多，致使其強(qiáng)度較高、重量較大。但近年來PCB基板材料薄型化成為一種普遍的需求，對應(yīng)生產(chǎn)的薄型CCL時(shí)所用玻纖布也變得更薄。薄型或極薄型玻纖布（0.1 mm以下厚）相對其強(qiáng)度低、輕量。在采用這種玻纖布作為基材進(jìn)行浸漬、干燥加工時(shí)，易產(chǎn)生干燥后半固化片的翹曲問題。減少、消除薄型化半固化片翹曲的發(fā)生已成為行業(yè)中一個(gè)普遍性工藝技術(shù)問題。解決此問題對于薄型化CCL平整度提高有著重要的意義。

4.2 解決半固化片翹曲問題的兩項(xiàng)發(fā)明技術(shù)

在解決半固化片翹曲問題上, 此專利[1]具體采取的措施是調(diào)整、控制基材兩側(cè)的含膠量大小。這個(gè)措施的實(shí)施，是建立在提出并采用一種對半固化片翹曲進(jìn)行有效檢測的基礎(chǔ)上。因此，將這個(gè)專利發(fā)明的核心內(nèi)容，看作為由“檢測”與“控制”的兩大創(chuàng)新技術(shù)部分所組合。

4.2.1 半固化片翹曲檢測方法及其裝置的創(chuàng)新

此專利介紹了一種測定半固化片翹曲度大小及其翹曲方向的裝置的發(fā)明內(nèi)容。它設(shè)置在半固化片干燥加工完成后，走出干燥爐的位置上（即見圖1中8所標(biāo)識(shí)的位置）。它可以僅是在半固化片上方安置，也可以同時(shí)在半固化片的上、下方位置一并添加（圖1的9是指在半固化片下側(cè)的添加此檢測裝置）。

并含新方式之一：可水平活動(dòng)的槽內(nèi)輥位置與移動(dòng)方向示意圖。

此專利中，首先舉例了曾在過去公開發(fā)表的檢測半固化片翹曲的裝置的發(fā)明專利，并分析指出它們的不足之處。例中的一篇專利發(fā)明檢測裝置，需要停機(jī)檢測[2]，無法在線的連續(xù)進(jìn)行檢測；另一篇專利[3]雖可在線檢測，但需要分別索取半固化片兩側(cè)的樹脂樣品。這種檢測方法需要浪費(fèi)一小部分的半固化片。相比之下，此專利提出的半固化片翹曲度檢測裝置，體現(xiàn)了它更適用于大生產(chǎn)實(shí)際的技術(shù)先進(jìn)性。該半固化片翹曲度檢測裝置表現(xiàn)出可在線、可連續(xù)、可無接觸的定量檢測的三大特點(diǎn)。

就這種半固化片翹曲度檢測裝置測頭的分布，此專利對提出了三種方式：即（1）在半固化片上方排列設(shè)置多點(diǎn)測頭的方式[見圖2（a）]；（2）在半固化片上方排列設(shè)置多點(diǎn)測頭＋下方設(shè)置單點(diǎn)測頭的方式[見圖2（b）]；③在半固化片上、下方排列設(shè)置多點(diǎn)測頭的方式[見圖2（c）]。

4.2.2 解決半固化片翹曲的思路

此專利的研發(fā)者利用上述半固化片翹曲檢測裝置對半固化片翹曲程度測定，并對所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步的研究，得到了對此問題產(chǎn)生原因及其變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，筆者歸納如下幾點(diǎn)：

（1）常規(guī)玻纖布基材在浸漬樹脂（主要指環(huán)氧樹脂膠液）后會(huì)出現(xiàn)基材翹曲，但當(dāng)覆濕態(tài)樹脂膠液基材進(jìn)入干燥爐，經(jīng)過爐內(nèi)導(dǎo)向輥時(shí)（爐內(nèi)導(dǎo)向輥的位置見圖1中的10），出現(xiàn)的翹曲現(xiàn)象就會(huì)暫時(shí)的消失。當(dāng)它走出干燥爐后經(jīng)出干燥爐外的導(dǎo)向輥（即圖1中的11輥時(shí)），又會(huì)再次出現(xiàn)半固化片的翹曲，直至半固化片加工完成，仍保持著翹曲狀態(tài)。它的翹曲方向與進(jìn)入干燥爐前基材翹曲方向是相同的。

（2）半固化片產(chǎn)生翹曲程度，主要是與基材里外兩側(cè)的樹脂膠層厚度的偏差大小相關(guān)。樹脂膠層厚度的偏差誘發(fā)兩側(cè)樹脂膠層熱收縮率的差異。樹脂膠層含量大的一側(cè)，則收縮率就大。樹脂膠層含量大的一側(cè)為形成半固化片翹曲的凹面。樹脂含量小的一側(cè)，則會(huì)為翹曲的凸面。

（3）基材浸漬樹脂（浸膠）加工，通常是同時(shí)對基材兩側(cè)進(jìn)行的浸漬樹脂膠液的加工?；目拷稍餇t內(nèi)垂直中心線一側(cè)的基材側(cè)面，可稱為“里側(cè)”，相對另一側(cè)（靠近干燥爐爐壁的基材側(cè)面），可稱為“外側(cè)”。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，在基材浸漬樹脂后至它的加工結(jié)束，倘若半固化片在呈水平方向時(shí)所出現(xiàn)的翹曲現(xiàn)象為“凹面朝上”（見圖3所表示的翹曲方向），可認(rèn)為是基材外側(cè)（即凹面?zhèn)龋渲浚礃渲z層厚度）、樹脂熱收縮率大于里側(cè)樹脂膠層而造成的凹面狀翹曲。因此，通過減小基材的外側(cè)（即“凹面?zhèn)取保渲浚ɑ蚴沟没牡耐姑鎮(zhèn)鹊臉渲吭龃螅?，去?shí)現(xiàn)兩側(cè)樹脂膠液的涂布厚度的均勻，就可減少甚至消除干燥后半固化片的翹曲（如圖3所示的最大翹曲量等于0）。

4.2.3 實(shí)現(xiàn)基材兩側(cè)樹脂膠層厚度均勻的裝置創(chuàng)新

以消除半固化片翹曲為目的，對上膠機(jī)中增添或改造可調(diào)整基材兩側(cè)樹脂膠液供應(yīng)量的裝置，這是此專利的兩大創(chuàng)新之一。

松下電工在此專利中提出了可調(diào)整基材兩側(cè)樹脂膠液供給量的裝置的三種新方式：

（1）新方式之一。使原有樹脂膠槽內(nèi)的導(dǎo)向輥（圖1中的5，簡稱“槽內(nèi)輥”），改成為活動(dòng)可調(diào)輥。當(dāng)半固化片出現(xiàn)如圖3所示的凹面翹曲情況，可將此輥向左（即圖1中標(biāo)A的方向）平移。起到減小供給外側(cè)涂布輥的樹脂膠量，降低基材外側(cè)含膠量的作用。該專利在實(shí)施例中重點(diǎn)提供了此控制基材兩側(cè)涂膠量方式的試驗(yàn)實(shí)例及結(jié)果的對比數(shù)據(jù)（可見表2中內(nèi)容）。

（2）新方式之二。在兩個(gè)涂布擠膠輥（見圖4中的13a與13b）上方各添加一個(gè)輔助涂膠輥（見圖4中的15）。它們起到了分別獨(dú)立控制涂布擠膠輥所帶的樹脂膠液供給量的作用。

（3）新方式之三。在兩個(gè)涂布擠膠輥（見圖5中的14a與14b）下方各添加一個(gè)小的輔助涂膠輥（見圖5中的16）及輔助涂膠輥的接膠槽（見圖5中的17），起到控制涂布輥的樹脂膠液供給量的作用。

圖4 新方式之二：在兩個(gè)涂膠輥上方各添加一個(gè)壓輥的方式

圖5 新方式之三：在兩個(gè)涂膠輥下方各添加一個(gè)小涂膠輥的方式

4.3 專利提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對其分析

此專利提供了基材兩側(cè)供給樹脂膠量大小對半固化片翹曲量影響的對比實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果（見表1），以及槽內(nèi)導(dǎo)向輥移動(dòng)量大小及其方向?qū)Π牍袒N曲狀態(tài)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

表1、表2給出的數(shù)據(jù)幫助我們對可此項(xiàng)研究、發(fā)明加深理解以幾個(gè)方面：

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，基材兩側(cè)樹脂含量差異程度與翹曲成正比關(guān)系，以此來證明上述的由兩側(cè)樹脂膠層不同厚度所引起它的收縮率差異是造成干燥后半固化片翹曲之原因的思路正確。

（2）控制了基材兩側(cè)的供應(yīng)樹脂膠液量，就可間接的控制了半固化片翹曲變化量。

（3）基材兩側(cè)的供應(yīng)樹脂膠液量大小之比，與基材兩側(cè)的樹脂膠層厚度（或基材兩側(cè)的樹脂膠量）之比是有兩個(gè)差別的概念，不可混為一談。例如，表1中基材外側(cè)與里側(cè)供給樹脂膠量比為5：5，并不表明基材外側(cè)與里側(cè)樹脂膠層的厚度也呈等同的比值（筆者分析，這是由于盡管基材外側(cè)與里側(cè)供給樹脂膠量是相同，但由于兩側(cè)濕狀可流動(dòng)態(tài)樹脂膠層受到的與干燥爐內(nèi)導(dǎo)向輥的摩擦張力差異甚大）。而從實(shí)驗(yàn)測定的結(jié)果表明（見表1），當(dāng)供給樹脂膠量的比為5：5時(shí)，基材外側(cè)樹脂膠層厚度要大于里側(cè)樹脂膠層厚度。只有將供給兩側(cè)樹脂膠量的比調(diào)整為“外小內(nèi)大”時(shí)（如：3：7、又如4:6等），基材外側(cè)樹脂膠層厚度才接近均勻一致，才能對降低（甚至消除）半固化片翹曲量有所見效。

（4）表2所示了槽內(nèi)導(dǎo)向輥改進(jìn)成可水平方向移動(dòng)調(diào)整后，它的水平位移量大小及其方向，對應(yīng)半固化片翹曲方向及其大小的變化關(guān)系。當(dāng)槽內(nèi)導(dǎo)向輥朝著與基材外側(cè)面接觸的擠膠輥（圖1中的6a）一側(cè)方向移動(dòng)（即按圖1中所示A方向的左移）后，所產(chǎn)生的這側(cè)擠膠輥供給基材外側(cè)的樹脂膠量減小的效果（筆者認(rèn)為，同樣是貼近基材外側(cè)的擠膠輥加大了與基材外側(cè)摩擦張力的緣故）。當(dāng)槽內(nèi)導(dǎo)向輥位于常規(guī)的初態(tài)位置，測到干燥后半固化片翹曲量越大（如表2中的序號(hào)1），就需要槽內(nèi)導(dǎo)向輥向基材外側(cè)接觸擠膠輥一側(cè)方向（即如圖1中向A方向）位移量就越多，以實(shí)現(xiàn)半固化片的翹曲量趨于零的目的。

4.4 基材兩側(cè)樹脂膠層概念的建立與應(yīng)用技術(shù)

為了更深領(lǐng)會(huì)該發(fā)明專利的技術(shù)思路及發(fā)明內(nèi)容，得到更多的收獲，本文“額外”地就專利所提及的“基材兩側(cè)樹脂膠層”的話題，再作一些擴(kuò)展性討論。

表1 基材兩側(cè)供給樹脂膠量大小對半固化片翹曲量影響的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 槽內(nèi)導(dǎo)向輥移動(dòng)量大小及其方向?qū)Π牍袒N曲狀態(tài)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 關(guān)于基材兩側(cè)樹脂膠層概念的建立

FR-4型覆銅板制造用基材半成品——半固化片的加工，是在玻纖布上浸漬樹脂膠液、進(jìn)入干燥爐進(jìn)行烘干、樹脂部分固化的復(fù)合材料性質(zhì)加工的制造過程。因此在CCL制造行業(yè)中，傳統(tǒng)上是沒有區(qū)分“外側(cè)樹脂膠層”與“里側(cè)樹脂膠層”的概念。此專利的技術(shù)發(fā)明思想是建立在區(qū)分基材兩側(cè)樹脂膠層概念的基礎(chǔ)上的。由此，才引出并詮釋控制供給基材兩側(cè)樹脂膠量裝置的的技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容。

基材兩側(cè)樹脂膠層概念的建立，起碼有幾層實(shí)際意義：（1）由于薄型化玻纖布比普通CCL用玻纖布織布組織結(jié)構(gòu)更加致密，形成了更為明顯的基材兩側(cè)樹脂膠層。隨著薄型化玻纖布在制造薄型化CCL中得到更廣泛的使用，基材兩側(cè)樹脂膠層區(qū)分以及加工制造中對其構(gòu)成成分、厚度等加以控制，就顯得更為必要。（2）建立區(qū)分基材兩側(cè)樹脂膠層的概念，在面臨半固化片生產(chǎn)加工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題（如：此專利提及的干燥后半固化片翹曲問題等）中，可容易找得解決問題的切入點(diǎn)（如：此專利提及的改變、調(diào)整供給基材兩側(cè)不同的樹脂膠量等）。（3）建立了區(qū)分基材兩側(cè)樹脂膠層的概念，易可萌發(fā)打破在玻纖布基材上一次只浸一種樹脂膠液的傳統(tǒng)慣例的創(chuàng)新思想，創(chuàng)造多樣的兩側(cè)樹脂膠層的差異組合的半固化片，以提高CCL的某項(xiàng)、或某多項(xiàng)性能。

4.4.2 圍繞著基材兩側(cè)樹脂膠層概念的應(yīng)用技術(shù)研究與進(jìn)展

近年來在推進(jìn)環(huán)氧-玻纖布基CCL實(shí)現(xiàn)薄型化和為降低CCL熱膨脹系數(shù)、提高模量而在其樹脂成分中添加無機(jī)填料的技術(shù)進(jìn)步中，CCL（以及薄型多層板）的翹曲問題更為突出。特別是樹脂組成中加入大量無機(jī)填料成為一種潮流，這種樹脂組成為特點(diǎn)的浸漬樹脂，其流動(dòng)性小、樹脂含量低，因此在壓制成形加工過程中采用改變工藝參數(shù)等手段，力圖減小翹曲也是件很難做到之事。而如何通過浸漬加工工藝及設(shè)備的改進(jìn)，來提高半固化片兩側(cè)樹脂膠層的均勻性，以此來抑制基板的翹曲，成為了浸漬加工中所要研究的重要課題。

松下電工公司較早地就建立了基材兩側(cè)樹脂膠層的概念。例如在特開2005—307080中就提出：薄型化半固化片的翹曲問題，主要是由于玻纖布的兩面（松下電工的文獻(xiàn)稱為“表面”和“里面”）的樹脂含量（即樹脂層厚度）不均勻一致所造成的。特別近年來，在樹脂組成中多加入了硅微粉等無機(jī)填料，使此問題更凸現(xiàn)而出。在該專利中[3]介紹了一種在線連續(xù)監(jiān)測半固化片膠量及厚度的裝置。它安裝在半固化片出膠槽后至半固化片進(jìn)入干燥爐之前的區(qū)域內(nèi)，利用刮膠板在半固化片邊緣部位取樹脂膠液樣。通過對半固化片的兩側(cè)（幅寬方向）樹脂含量測定，得到其不均的定量值。然后將這組數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)，再發(fā)信號(hào)指令去調(diào)整車速、對輥間隙等工藝參數(shù)，及時(shí)對樹脂含量進(jìn)行調(diào)整，使兩側(cè)不均的問題得以解決，以達(dá)到提高半固化片平整度的目的[4]。

松下電工公司另一篇2008年公開的專利[5]中提出，在浸漬槽內(nèi)增加了一個(gè)輥（見圖6中的2號(hào)輥）。它起到基材兩側(cè)更均勻供給樹脂膠液量的“互補(bǔ)”作用。

2009年公開的住友電木公司的一篇專利[6]，也是通過實(shí)現(xiàn)半固化片兩側(cè)樹脂高度均勻性來達(dá)到覆銅板的低翹曲度的目的。它采用熒光X射線照射干燥加工后半固化片，以測定其熒光X射線反射強(qiáng)度，從所得熒光X射線強(qiáng)度數(shù)據(jù)中換算出基材半固化片兩側(cè)的樹脂膠層的厚度值。由于它可測得到基材寬幅方向的各點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此可利用它實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測、調(diào)整、控制連續(xù)加工的半固化片各部位的表面樹脂含量。

表3給出了此專利[6]研究試驗(yàn)的結(jié)果，通過此表內(nèi)容來說明采用此測試新方法，對更加動(dòng)態(tài)、連續(xù)、精密地控制半固化片的樹脂膠層厚度（特別是可分別測定內(nèi)、外側(cè)的樹脂膠層厚度）。

從表3顯示的結(jié)果再一次地認(rèn)識(shí)到：半固化片內(nèi)、外側(cè)樹脂膠層厚度差異大，對所制的CCL平整度有著負(fù)面的影響。住友電木公司在此點(diǎn)認(rèn)識(shí)上，以及以減小所制CCL翹曲度為目的，在解決提高半固化片的質(zhì)量問題的“切入點(diǎn)”上，與日本CCL同行松下電工公司在許多專利[1][3][6]中所提及的觀點(diǎn)是如此相似[7]。

表3 兩側(cè)樹脂膠層厚度與CCL翹曲值關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果

日本CCL廠家在建立基材兩側(cè)樹脂膠層概念的前提下，還創(chuàng)造了更多的半固化片樹脂層兩側(cè)樹脂成份差異的新組合，以達(dá)到提高CCL某多項(xiàng)性能的目的。在松下電工公司的2009年公開的一篇專利[8]中，提出了一張半固化片涂布兩側(cè)的樹脂成分是相同的，而基材兩側(cè)的樹脂中所含無機(jī)填料的含量是有差異的。多用于多層板內(nèi)芯層的這種兩側(cè)不同無機(jī)填料添加量的樹脂組成的半固化片，其無機(jī)填料含量少的一側(cè)樹脂膠層，可保有高粘接性；而它的無機(jī)填料含量多的一側(cè)樹脂膠層，突出了其低膨脹系數(shù)，高剛性（即高模量）的特性。

住友電木株式會(huì)社在2008年公開的一篇專利[9 ]中，提出了在單張半固化片兩側(cè)涂布上在模量特性有差異的不同樹脂的創(chuàng)新工藝。他們在半固化片的一側(cè)（可稱為外側(cè)）涂布了具有高模量性的預(yù)固化熱固性樹脂。在基材另一側(cè)（也可稱為里側(cè)），涂布了具有柔韌性、低模量性預(yù)固化熱固性樹脂。分別涂布了具有樹脂結(jié)構(gòu)差異的兩側(cè)樹脂膠層的半固化片，在基板材料成型后發(fā)揮出各自的特性，滿足了高端CCL的多項(xiàng)性能共同提高的需求。

4.5 結(jié)語

一項(xiàng)覆銅板的工藝技術(shù)及加工設(shè)備的創(chuàng)新，往往是由建立新的概念、開發(fā)出新的檢測方法及裝置、開發(fā)出新的控制手段及其裝置——這三方面組合。也可以理解為：“認(rèn)識(shí)問題——找出規(guī)律——解決問題”的一種過程。在此篇中所重點(diǎn)討論的日本此專利，其技術(shù)內(nèi)容并非全面、并非全部真實(shí)和實(shí)用，不可照搬。但它是個(gè)好教材，它可使我們?nèi)チ私馄涓层~板工藝技術(shù)的進(jìn)步、領(lǐng)會(huì)其開發(fā)的思路，汲取其發(fā)明的精髓。

[1]特開2010-247514

[2]特開2005-336319

[3]特開2005-307080

[4]祝大同. 再論半固化片浸漬加工技術(shù)的新進(jìn)展.第八屆中國覆銅板市場、技術(shù)研討會(huì)論文集[C]. 2007,6

[5]特開2008-291156

[6]特開2009-263554

[7]祝大同.對近年覆銅板制造工藝創(chuàng)新例的綜述（上）——從近兩年發(fā)表的日本專利看覆銅板制造工藝技術(shù)新發(fā)展[J]. 覆銅板資訊, 2010, 2.

[8]特開2009-127014

[9]特開2008-088280